(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェルと、
スエージ操作によって外部圧縮半径方向力を加えるための手段であって、前記シェル上の外部フェルールを圧縮する機能を有している手段と、
少なくとも２つの管腔と、
低温流動性を有し、前記少なくとも２つの管腔を保持するシーラントであって、使用時
に、前記スエージ操作によって外部圧縮半径方向力が生成されたときにその力がシェルと
管腔との間で伝達され低温流動により、再封止可能な封止を形成する、シーラントと、
を備えるコネクタ。
【請求項２】
各管腔が、裏当てフェルールをさらに含んでいる、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項３】
各管腔が、ステンレス鋼、金属、セラミック、ガラス、およびプラスチックからなる群から選択された材料を含んだ裏当てフェルールをさらに含んでいる、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項４】
各管腔が中空繊維である、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項５】
各管腔が、過フッ素化イオノマーを含んでいる、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項６】
過フッ素化イオノマーが、パーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレンコポリマー、およびパーフルオロカルボン酸／テトラフルオロエチレンコポリマーからなる群から選択される、請求項５に記載のコネクタ。
【請求項７】
各管腔が、金属、ガラス、石英、プラスチック、およびセラミックからなる群から選択された材料を含んでいる、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項８】
シーラントがプラスチックを含んでいる、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項９】
プラスチックがアセタールホモポリマーを含んでいる、請求項８に記載のコネクタ。
【請求項１０】
プラスチックがナイロンを含んでいる、請求項８に記載のコネクタ。
【請求項１１】
プラスチックがフルオロポリマーを含んでいる、請求項８に記載のコネクタ。
【請求項１２】
フルオロポリマーが、テトラフルオロエチレンおよびパーフルオロビニルエーテルのポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化エチレンプロピレンコポリマー、変性フルオロアルコキシポリマー、ポリフッ化ビニリデン、およびパーフルオロアルコキシポリマーからなる群から選択される、請求項１１に記載のコネクタ。
【請求項１３】
同心円状に配列された複数の管腔を含んでいる、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項１４】
シェルが、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、銅、および熱硬化性プラスチックからなる群から選択された材料を含んでいる、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項１５】
各管腔が、約０．０００１インチから約０．０３５インチの肉厚を有する薄い管状膜である、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項１６】
各管腔が、約０．００３インチから約０．５インチの直径を有している、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項１７】
約１トールから約３０００ｐｓｉの圧力で動作するように構成されている、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項１８】
約０．２５インチから約６インチの直径を有している、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項１９】
２から２５０の管腔を含んでいる、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項２０】
水蒸気伝達コネクタである、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項２１】
シェル熱交換器内の管である、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項２２】
シェル加湿器内の管である、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項２３】
シェルガス接触器内の管である、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項２４】
シェルと、
スエージ操作によって外部圧縮半径方向力を加えるための手段であって、前記シェル上の外部フェルールを圧縮する機能を有している手段と、
複数の管状チャネルであって、各管状チャネルが流体経路に連通している複数の管状チャネルと、
低温流動性を有し前記複数の管状チャネルを保持するシーラントであって、使用時に、前記スエージ操作によって外部圧縮半径方向力が生成されたときにその力がシェルと管状チャネルとの間で伝達され低温流動により再封止可能な封止を形成し、それにより、単一の流体経路が形成されるように複数の流体経路が接続される、シーラントと、
を備えるコネクタ。
【請求項２５】
管状チャネルが薄い壁の膜である、請求項２４に記載のコネクタ。
【請求項２６】
管状チャネルが中空繊維である、請求項２４に記載のコネクタ。
【請求項２７】
各管状チャネルが裏当てフェルールを有している、請求項２４に記載のコネクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、参照によりその開示全体が本明細書に明らかに組み込まれ、かつ本明細書において明らかに本出願の一部をなしている、２００６年３月２０日出願の米国仮出願第６０／７８４３８１号の利益を主張するものである。
【０００２】
外部半径方向圧縮力が加えられたときに、単一の外部シェル内で多数の管を同時に封止することが可能な、流体コネクタを提供する。
【背景技術】
【０００３】
高純度の水蒸気は、半導体製造、医療用ガスの生成、および燃料電池技術に用いられるプロセスも含め、現在進行中の技術プロセスにおける多くの用途で使用される。高純度の水蒸気は、有毒廃棄副産物などの最小限の不純物しかプロセスに導入しないので、例えばケイ素の酸化、薄いゲート酸化膜の生成（例えばエレクトロニクスおよび半導体産業）、および超高純度清浄プロセスに使用することができる。
【０００４】
医薬品およびバイオテクノロジー産業では、高純度の水蒸気は滅菌に使用され、または高純度水を得るために凝縮することができる。一般に、標準的な脱イオンプロセスよりもさらに費用がかかるが、高純度水蒸気からの液体水の生成は、生物系内に存在する少量の、例えばプリオン、ウイルス、アレルゲン、タンパク質、細菌、およびその他の生物学的に活性な高分子または物質を有する生成物をもたらすことがあり、これらは、標準的な水脱イオン化プロセスによって効果的に除去することができない。さらに、一般に脱イオン水系内を通過する、実質的に低レベルのホウ酸塩やケイ酸塩などの無機物質、または、金属スチルから生成された水に典型的な、鉄やニッケル、クロム、銅、その他の有毒金属などの金属物質を含有する水が、超高純度水蒸気から得ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
典型的には、技術的および工業的な用途に向けた水蒸気は、水蒸気が得られるように単に脱イオン水を沸騰させることによって、またはガス状の水素および酸素を反応させることによって、生成される。後者の場合、純粋な水蒸気の生成は、生成水蒸気中の残されている残留酸素および／または水素の存在が原因で、実際には不可能である。これらの化合物の除去は、しばしば、追加の高価なかつ複雑な別のプロセスを必要とする。さらに、高濃度のガス状の水素は、水素の爆発限界（約１００ｋＰａの圧力で約８％）よりも十分に高い温度で実施される酸素との合成反応を、しばしば必要とする。そのような条件下で操作される水蒸気合成プロセスは、適正に実施されない場合、安全性を脅かす問題を提示する可能性がある。
【０００６】
高純度脱イオン水の沸騰は水蒸気を得るために簡単であり、水蒸気を得るための水素と酸素との直接反応に固有の問題および危険を回避することができる。しかし、溶解したガスを除去することが、難しくなる可能性があり、気密封止された環境において多数の沸騰／凝縮サイクルをしばしば必要とするが、これには費用がかかる。さらに、塩や金属など、通常は揮発性でない材料を含有するエアロゾルが、沸騰プロセス中に生成される可能性がある。そのようなエアロゾルを含有する水蒸気が、使用時に凝縮される場合、これらの不純物は凝縮物中に取り込まれる可能性があり、望ましくない不純物を液体水に添加する可能性があり、したがって、後続のプロセスステップが原因で、より高いコストが不純物の除去に必要になる。超純水そのものは非常に腐食性であるので、ボイラを構成するのに使用されるどの材料も（例えば、石英、ステンレス鋼、ガラスなど）、水蒸気中に溶解し、次いでエアロゾル中に閉じ込められる可能性がある。
【０００７】
水蒸気中に不純物を導入せず、かつ水蒸気生成条件に耐えることのできる耐久性封止材をもたらす、高純度水蒸気を発生させるための装置で使用される流体コネクタが望ましい。また、脆弱な膜管腔に損傷を与えることなく凹凸のある封止を提供するために、この膜管腔と共に使用することができる継ぎ手が望ましい。好ましい実施形態の装置および方法は、これらの目的の１つまたは複数を達成することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、第１の態様では、シェル、および、スエージ操作によって外部圧縮半径方向力を加えるための手段と、少なくとも１つの管腔と、低温流動性を有するシーラントであって、使用中に、外部圧縮半径方向力がスエージ操作によって生成される場合、この力がシェルと管腔との間で伝達されて、シーラントの低温流動により、再封止可能な封止を形成するシーラントと、を含んでいるコネクタが提供される。
【０００９】
第１の態様の実施形態では、スエージ操作によって外部圧縮半径方向力を加える手段は、シェル上の外部フェルールの圧縮を含んでいる。
【００１０】
第１の態様の実施形態では、管腔がさらに、裏当てフェルールを含んでいる。
【００１１】
第１の態様の実施形態では、管腔はさらに、ステンレス鋼、金属、セラミック、ガラス、およびプラスチックからなる群から選択された材料を含む裏当てフェルールを含んでいる。
【００１２】
第１の態様の実施形態では、管腔が、過フッ素化イオノマーを含んでいる。
【００１３】
第１の態様の実施形態では、過フッ素化イオノマーは、パーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレンコポリマー、およびパーフルオロカルボン酸／テトラフルオロエチレンコポリマーからなる群から選択される。
【００１４】
第１の態様の実施形態では、管腔は、金属、ガラス、石英、プラスチック、およびセラミックからなる群から選択された材料を含んでいる。
【００１５】
第１の態様の実施形態では、金属は、ステンレス鋼、ニッケル、および銅からなる群から選択される。
【００１６】
第１の態様の実施形態では、シーラントは、プラスチック、例えばアセタールホモポリマー、ナイロン、またはフルオロポリマーを含んでいる。フルオロポリマーは、テトラフルオロエチレンおよびパーフルオロビニルエーテルのポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化エチレンプロピレンコポリマー、変性フルオロアルコキシポリマー、ポリフッ化ビニリデン、およびパーフルオロアルコキシポリマーからなる群から選択することができる。
【００１７】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、複数の管腔を含んでおり、これらの管腔は、半径方向に配置されている。
【００１８】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、複数の管腔を含んでおり、これらの管腔は、軸方向に配置されている。
【００１９】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、複数の管腔を含んでおり、これらの管腔は、同心円状に配置されている。
【００２０】
第１の態様の実施形態では、シェルは、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、銅、および熱硬化性プラスチックからなる群から選択される材料を含んでいる。
【００２１】
第１の態様の実施形態では、管腔は、約０．０００５インチから約０．０２０インチの肉厚を有する薄い管状の膜である。
【００２２】
第１の態様の実施形態では、管腔は、約０．００５インチから約０．５インチの直径を有している。
【００２３】
第１の態様の実施形態では、管腔は、約０．０１５０インチから約０．０２５インチの直径を有している。
【００２４】
第１の態様の実施形態では、管腔は、約１：５から約１：１００の、肉厚と直径との比を有している。
【００２５】
第１の態様の実施形態では、管腔は、約１：１０から約１：２５の、肉厚と直径との比を有している。
【００２６】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、約１トールから約３０００ｐｓｉの圧力で動作するように構成されている。
【００２７】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、約１トールから約１００ｐｓｉの圧力で動作するように構成されている。
【００２８】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、約７６０トールから約１００ｐｓｉの圧力で動作するように構成されている。
【００２９】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、約０．２５インチから約１２インチの直径を有している。
【００３０】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、約０．２５インチから約２インチの直径を有している。
【００３１】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、２から５０本の管腔を含んでいる。
【００３２】
第１の態様の実施形態では、封止材の断面積の約５０％未満が、管腔によって占められている。
【００３３】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、水蒸気伝達コネクタである。
【００３４】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、シェル熱交換器の管で使用される。
【００３５】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、シェル加湿器の管で使用される。
【００３６】
第１の態様の実施形態では、コネクタは、シェルガス接触器の管で使用される。
【００３７】
第２の態様では、シェル、および、スエージ操作によって外部圧縮半径方向力を加えるための手段と、複数の管状チャネルであって、各管状チャネルが流体経路に連通している複数の管状チャネルと、低温流動性を有するシーラントであって、使用中に、外部圧縮半径方向力がスエージ操作によって生成される場合、この力がシェルと管状チャネルとの間で伝達されて、シーラントの低温流動により再封止可能な封止を形成するようになされているシーラントと、を含んでいるコネクタであって、単一の流体経路が形成されるように複数の流体経路を接合しているコネクタが提供される。
【００３８】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルが薄肉膜である。
【００３９】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルが中空繊維である。
【００４０】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルのそれぞれが裏当てフェルールを有している。
【００４１】
第２の態様の実施形態では、スエージ操作によって外部圧縮半径方向力を加えるための手段が、シェル全体にわたる外部フェルールの圧縮を含んでいる。
【００４２】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルがさらに、ステンレス鋼、金属、セラミック、ガラス、およびプラスチックからなる群から選択された材料を含む裏当てフェルールを含んでいる。
【００４３】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルが過フッ素化イオノマーを含んでいる。
【００４４】
第２の態様の実施形態では、過フッ素化イオノマーは、パーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレンコポリマー、およびパーフルオロカルボン酸／テトラフルオロエチレンコポリマーからなる群から選択される。
【００４５】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルは、金属、ガラス、石英、プラスチック、およびセラミックからなる群から選択された材料を含んでいる。
【００４６】
第２の態様の実施形態では、金属は、ステンレス鋼、ニッケル、および銅からなる群から選択される。
【００４７】
第２の態様の実施形態では、シーラントが、プラスチック、例えばアセタールホモポリマー、ナイロン、またはフルオロポリマーを含んでいる。フルオロポリマーは、テトラフルオロエチレンおよびパーフルオロビニルエーテルのポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化エチレンプロピレンコポリマー、変性フルオロアルコキシポリマー、ポリフッ化ビニリデン、およびパーフルオロアルコキシポリマーからなる群から選択することができる。
【００４８】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、半径方向に配置された複数の管状チャネルを含んでいる。
【００４９】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、軸方向に配置された複数の管状チャネルを含んでいる。
【００５０】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、同心円状に配置された複数の管状チャネルを含んでいる。
【００５１】
第２の態様の実施形態では、シェルは、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、銅、および熱硬化性プラスチックからなる群から選択された材料を含んでいる。
【００５２】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルは、約０．０００５インチから約０．０２０インチの肉厚を有する薄い管状膜である。
【００５３】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルは、約０．００５インチから約０．５インチの直径を有している、
【００５４】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルは、約０．０１５０インチから約０．０２５インチの直径を有している。
【００５５】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルは、約１：５から約１：１００の、肉厚と直径との比を有している。
【００５６】
第２の態様の実施形態では、管状チャネルは、約１：１０から約１：２５の、肉厚と直径との比を有している。
【００５７】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、約１トールから約３０００ｐｓｉの圧力で動作するように構成されている。
【００５８】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、約１トールから約１００ｐｓｉの圧力で動作するように構成されている。
【００５９】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、約７６０トールから約１００ｐｓｉの圧力で動作するように構成されている。
【００６０】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、約０．２５インチから約１２インチの直径を有している。
【００６１】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、約０．２５インチから約２インチの直径を有している。
【００６２】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、２から５０個の管状チャネルを含んでいる。
【００６３】
第２の態様の実施形態では、封止材の断面積の約５０％未満が、管状チャネルによって占められている。
【００６４】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、水蒸気伝達コネクタである。
【００６５】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、シェル熱交換器の管に使用される。
【００６６】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、シェル加湿器の管に使用される。
【００６７】
第２の態様の実施形態では、コネクタは、シェルガス接触器の管に使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
半径方向の外部の圧縮力が加えられたときに、単一の外部シェル内で多数の管を同時に封止できる流体コネクタを提供する。好ましい実施形態の装置および方法によれば、多くの個々の細い管を、より太い共通の単一の管に接続することができる。特に、外部で生成された単一の力により、単一の平面状シーラント内で、多数の管腔、薄肉管状膜を封止することができる。多くの管腔体を、１つに溶接したり、熱的に結合させる必要がなくなる。封止材は、半径方向の力が除去され次いで再び加えられた場合、再び封止することができる。このため、管腔の１つを除去し、修復または置き換えることができる。シーラントは、超高純度の高温フルオロポリマーにすることができるので、ポッティング化合物型シーラント（例えば、エポキシシーラント）が不可能である場合に使用することができる。
【００６９】
好ましい実施形態のコネクタは、３つの主な構成要素、シェルおよび外部圧縮力と、シーラントと、内管または管腔（裏当てフェルールがあるもの、またはないもの）とを含んでいる。
【００７０】
適切なフェルールまたはナットは、Ｓｗａｇｅｌｏｋ  Ｃｏｍｐａｎｉｅｓ（Ｓｏｌｏｎ、オハイオ）またはＰｌａｓｍａｔｅｃｈ（Ｅｌ  Ｍｏｎｔｅ、カリフォルニア）から得ることができる。シェルが、半径方向の圧縮力をシーラントおよび管腔内に伝達することができるように十分変形できる場合、ばねクランプまたはホースクランプ（Ｏｅｔｉｋｅｒ、Ｍａｒｌｅｔｔｅ、ミシガン）をシェルに適用することができる。シェルが、圧縮後にその変形した形状を維持する非弾性材料で作製される場合に実現することができるように、圧縮を永久的にすることもできる。そのような非弾性材料には、ステンレス鋼やアルミニウムなどの材料から作製された金属シェルが含まれる。さらに、この力は、シーラント上のシェルを押圧することによって発生させることができる。
【００７１】
シェルは、好ましくは少なくとも５倍、シーラントよりも著しく堅い。
【００７２】
シーラントは、シェルと管腔との間で力を伝達する弾性材料である。好ましい材料は、最小限の外力で変形させるのに十分低いヤング率であるが、封止材に対する外部圧力に耐えるのに十分なヤング率を有する。シーラント内に均一な歪みが生ずるように、等方性であることが好ましい。理想的な材料は、歪み伝達が満足にできるように、非圧縮性でもある。各管腔の周りに満足のいく半径方向力を発生させるため、良好な静水圧特性（水のような）も有するべきである。さらに、材料は、良好な可塑特性を有することが好ましい。これらの特徴全てを有する材料はないが、弾性およびプラスチック材料は全て、これらの特徴のいくつかを有しており、シーラントとして使用するのに適している。
シーラント材料は、封止の動作条件に適合すべきである。シーラントを選択する場合、温度、化学的環境、および機械的応力が考慮される。ＫＹＮＡＲ（登録商標）ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、およびＤＥＬＲＩＮ（登録商標）アセタールホモポリマーは、単一管腔封止で満足のいくように作用することがわかっている。より多くの穴がシーラントプレートに付加されるにつれ、応力を均等化するというこの材料の能力がより重要になる。塑性およびクリープの率が高いＰＴＦＥは、マルチルーメンアセンブリを封止するのに好ましい選択となる。ある最小応力を超えて応力を受けた後、シーラントは、材料内で分子が永久的に塑性変位する。これにより、シーラントは、均等化された半径方向の力によって各管腔の周りで変形することが可能になる。後に管腔のいかなる動きもシーラントの動きに一致するようになり、その結果、空間が充填され、または過剰な負荷から離れるようになる。応力が解除されると、シーラントはその当初の位置に戻るのではなく、弾性歪みが解除されるよう十分に変形するだけである。
プラスチックまたは非晶質材料の場合、この動きは、互いを通過するポリマー鎖によって引き起こされる。シーラントの両端は、内部および外部接続が可能になるように変性されてもよい。この設計では、管腔の挿入が可能になるようにシーラントの一端が開放されている。他方の端部は、共通の供給または戻り部に接続するように、内部にねじが切られている。シーラントの外側は、シェルを管腔の周りに置くことができるように、外力または異なる接続を介して、シェルに取着けすることもできる。これにより、２次的な流体の流れと共に、浸透気化または熱伝達を引き起こすことを可能にする２次的な封込めが行われる。
【００７３】
内管（１つまたは複数）は、シーラントで封止材を形成するのに十分堅い、任意の材料にすることができる。これには、フルオロポリマー管材などの厚肉プラスチック管材、ステンレス鋼、銅、またはアルミニウム管材、あるいはガラスまたは石英管材が含まれる。管腔が非常に薄い壁であり漏れを防ぐためのシーラントからの半径方向圧縮力に耐えることができない場合、管腔に剛性を与えるために内部フェルールが管腔内で耐密に嵌められてもよい。フェルールは、フルオロポリマー管材を含めた厚肉プラスチック管材、ステンレス鋼、銅、またはアルミニウム管材、ガラスまたは石英管材、セラミック、または炭素繊維など、プロセス環境に適合可能な材料であることが好ましい。
【００７４】
多数の細い管をより太い共通の管に接合する必要性は、通常、分配用配管、熱伝達、または質量伝達、で求められる。共通管から多数の細い管への分配用配管は、液体およびガスクロマトグラフィーなど、試験をするのにごく少量しか必要としない精密材料分析器で必要とされる。浸透気化および脱ガスに使用される熱交換器および接触器は、２つの別々の流体の間で接触面積を増大させるために、表面と面積との比を非常に高くする必要がある。これは、内管の直径を縮小し内管の数を増やすことによって、最も効率的に実現される。唯一の欠点は、各管管材の束の端部に必要とされる、半径方向の封止材の数およびこの封止材を形成する難しさである。
【００７５】
燃料電池は、管状アセンブリから組み立てることができ、構造的一体性、進入および排出、コストといった固有の利益を有している。好ましい実施形態の封止材は、多数の燃料電池または水素発生電池を一度に封止することが可能である。これにより、水、空気、酸素、水素、および電気伝導体の流れを１つの封止材で接続することが可能になる。
【００７６】
封止材は、内径が０．００５”程度またはそれよりも細く、壁が０．０００５”程度またはそれよりも薄い、細い薄い管材を、ポッティング化合物またはサーマルボンディングを使用することなく、より太く束ねられたアセンブリに封止することを可能にする。管腔直径の好ましい範囲は、約０．００１”の直径またはそれ以下から、約０．５０”の直径またはそれ以上までである。管材は、約０．００９”から約０．１８７”の外径を有することが、最も好ましい。
【００７７】
シーラントの圧縮中に管腔が大きく変形するのを防ぐのに十分なヤング率と、十分な肉厚とを管腔が有する場合、管腔は、シーラント全体にわたって均一に分散させることができる。これは、構造的に剛性の管腔を使用することによって、または管腔を剛性材料で裏打ちすることによって、実現することができる。管腔が、シーラントのヤング率に匹敵するヤング率を有する場合、シーラントの中心線の周りの円形パターン内で管腔を均等に分散させることができる。管腔の特定の数、およびシーラントの直径に応じて、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上の穴の円を中心線の周りに同心円状に位置づけることができる。この封止は、外部半径方向圧縮力によって生成される。この力の除去によって、個々の管腔に対する締付け力が部分的に解除され、管の除去および修復または置換えが可能になる。管腔の任意の適切な数を用いることができ、例えば、１、２、から約１００以上、好ましくは約２、３、４、５、６、７、８、９、または１０から約１５、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０、または９０である。好ましくは、管腔によって占められる封止材の断面積は、５０％未満であり、より好ましくは４０％未満、さらにより好ましくは３０％未満、最も好ましくは２０％未満であるが、ある実施形態では、管腔は、封止材の断面積の５０％以上を占めることが望ましい場合もある。
【００７８】
汚染物質を放出するポッティング化合物（例えばエポキシ）をより清浄でより安定な材料（ＰＴＦＥなど）に置き換えることができることにより、材料は、腐食性、酸性、およびより高い温度環境で働くことが可能になる。好ましい実施形態の封止材は、２５０°Ｆを上回る温度で働くのに対し、ポッティング化合物は、湿っておりまたは水蒸気条件下で使用される場合、典型的には機能しない。
【００７９】
封止材は、共通の流体接続と多数の管腔との間に気密結合を形成することができ、内部流動分布および外部シェル接続の両方に関してコネクタを使用することが容易であるので、熱および質量の両方の伝達流体処理用に、熱交換器および接触器を製作するのに有用になる。
【００８０】
単一管腔アセンブリは、ホースバーブ、ルアー継ぎ手、およびスエージ接続であって、裏当て環を用いまたは用いないものも含めたいくつかの方法によって、都合良く組み立てることができる。これらの技法は、空間、労力、および漏れの可能性全てが、それぞれ追加の平行接続と共に著しく増大するので、少数の接続に関して実用的なだけである。
【００８１】
下記の事項は、多数の管を単一の外管に接合するための定義である。明瞭にする目的で、内管を管腔と呼び、管腔を取り囲む外管をシェルと呼ぶ。管腔とシェルとの間の材料は、シーラントである。封止材を作製するには、管腔、シェル、およびシーラントを必要とする。
【００８２】
マルチルーメンアセンブリを構築するために熱可塑性の多数の管腔が接合される必要がある場合、３つの代替のアセンブリ技法が適用される。第１は、最も未完成で、製造製品には少ししか使用されていない。この技法では、単一封止材の多数の接続がより太い共通の管寄せに機械的に固定される。次いで個々の管腔が１つずつ取り着けられる。この技法の利点は、損傷を受けた管腔を修復しまたは交換することができることである。欠点には、各継ぎ手を組み立てて試験をするための労力に高いコストがかかること、および各継ぎ手を作製しまたは破断するために個々の管腔の間に空間が必要であること、が含まれる。
熱可塑性プラスチック（並びに金属）と共に使用されるその他の一般的な技法には、サーマルボンドの形成が含まれ、この場合、同様の組成であるが融解温度が低い熱可塑性材料が加熱され、バルク状のプラスチックが全ての管腔の周りを流動することが可能になり、そして気密封止を形成する。より低い融点の材料はシーラントである。シーラントおよび管腔は両材料で良好な浸透結合が生ずるように、十分に近い温度であるが、管腔が完全に融解して潰れることのないよう十分に低い温度を持たなければならない。これらのタイプの製品は、一般に、Ｐａｌｌ、Ｍｙｋｒｏｌｉｓ、およびＭｅｍｂｒａｎａから販売されている高表面積接触器用に、半導体産業で使用されている。熱可塑性結合は、多数の管腔を接続するのに好ましい手法であるが、材料の不適合性や管腔の温度感受性などのいくつかの状況では、熱可塑性結合が適切な方法ではない場合がある。さらに、熱可塑性プラスチックの融解は、高温を必要とし、融解プロセス中に有毒ガスを放出する可能性があり、したがって安全性が課題となる可能性がある。
【００８３】
アセンブリのための別の共通の方法は、エポキシやウレタンなどのポッティング化合物を使用することによる。ポッティング化合物は、管腔とシェルとの間のシーラントとして作用する。ポッティング化合物は、管腔およびポッティング材料および外部シェルの間の接着によって圧力差に耐える。この封止材は、管腔、シーラント、およびシェルの間の接着によって生成された剪断応力を介して、外部圧力差に耐える。この方法は、医療、燃料電池、および分析の用途で一般に使用されている。欠点は、ポッティング化合物が、性能および市場性の低下につながる可能性のある、異なる腐食、圧力、環境、および熱膨張特性を有する異なる材料であることである。膜は、浸透圧および湿度を含めた広範な環境条件で機能する。高温および高湿度条件で５０％を上回って膨潤する可能性のあるフルオロイオノマーから作製された管腔を封止する場合、ポッティング化合物は、管腔およびシェルから離れる。これは、高温燃料電池における水蒸気精製や加湿など、マルチルーメンアセンブリに関するある高温用途での使用を阻止する。
【００８４】
好ましい実施形態のコネクタによれば、熱を用いた熱可塑性結合またはポッティング化合物を用いたアセンブリを使用することなく、マルチルーメンアセンブリを接合することが可能になる。この方法は、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）から作製されたパーフルオロポリマー管状膜のアセンブリに特に適しているが、この手法は、任意の管束のアセンブリに利用することができる。
【００８５】
好ましい実施形態のコネクタは、燃料電池の適用例、水蒸気生成、電極脱イオン化、透析、および本明細書に開示されるその他の適用例に有用である。
【００８６】
水蒸気生成のための膜管腔
一実施形態において、コネクタは水蒸気生成で使用され、この場合、水蒸気供給材料は、この供給材料を、管腔の形をした実質的にガス不透過性のイオン交換膜に通すことによって精製される。
本明細書で使用される「実質的にガス不透過性の膜」という用語は広義の用語であり、水蒸気に対して透過性を有し、しかし限定するものではないが水素、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、炭化水素（例えばエチレン）、揮発性の酸および塩基、耐火性化合物、およびその他の揮発性有機化合物などのその他のガスに対して比較的不透過性である膜を含むがこれらの膜に限定するものではなく、その通常の意味で使用される。ガス不透過性は、膜の「漏れ率」によって決定することができる。本明細書で使用される「漏れ率」という用語は、広義の用語であり、限定するものではないが単位時間当たりに膜表面積を透過する特定のガスの体積を含めた、その通常の意味で使用される。例えば、実質的にガス不透過性の膜は、その漏れ率が、標準的な雰囲気および圧力下で約１０−３ｃｍ３／ｃｍ２／秒未満であるなど、水蒸気以外のガスについて低い漏れ率を有する。あるいは、「実質的にガス不透過性」の膜は、水蒸気の透過率をその他のガスの透過率と比較した比によって特定することができる。好ましくは、実質的にガス不透過性の膜は、水蒸気に対する透過性が、その他のガスよりも少なくとも約１００００：１の比で、例えば少なくとも約２００００：１、３００００：１、４００００：１、５００００：１、６００００：１、７００００：１、８００００：１、９００００：１の比で、または少なくとも約１０００００：１、２０００００：１、３０００００：１、４０００００：１、５０００００：１、６０００００：１、７０００００：１、８０００００：１、９０００００：１の比で、または少なくとも１００００００：１の比でも高い。しかし、その他の実施形態では、１：１を超えるその他の比が許容され、例えば１．５：１、２：１、３：１、４：１、５：１、６：１、７：１、８：１、９：１、１０：１、５０：１、１００：１、５００：１、１０００：１、または５０００：１、またはそれ以上である。
【００８７】
本明細書で使用される「イオン交換膜」という用語は、広義の用語であり、イオンと結合させることが可能であり、または膜と外部物質との間でイオンを交換することが可能な化学基を含んでいる膜を含むがこれに限定することはなく、その通常の意味で使用される。そのような化学基には、スルホン酸、カルボン酸、リン酸、ホスフィン酸、ヒ素基、セレン基、フェノール、およびこれらの塩が含まれるが、これらに限定するものではない。化学基は、陽イオンまたは陽子が、外部供給源、例えば溶液またはガスからのその他の陽イオンと交換可能である、塩の形または酸の形にすることができる。イオン交換膜は、酸の形で提供することができ、この膜を、アルカリ金属塩基、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、または炭酸水素カリウム、水酸化リチウム、あるいはアルカリ土類金属塩基、例えば水酸化カルシウム、酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、または炭酸マグネシウムなどの塩基で前処理することによって、塩の形に変換することができる。
【００８８】
一実施形態において、イオン交換膜は、交換可能なイオンを含有するポリマーなどの樹脂である。好ましくは、イオン交換膜は、フッ素含有ポリマー、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレンコポリマー（ＰＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオリドエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、フッ化ビニリデン−三フッ素化エチレンクロリドコポリマー、フッ化ビニリデン−六フッ化プロピレンコポリマー、フッ化ビニリデン六フッ化プロピレン−四フッ化エチレンターポリマー、四フッ化エチレン−プロピレンゴム、およびフッ素化熱可塑性エラストマーである。あるいは樹脂は、近接する膜材料を得るために、ポリマーの複合体または混合物、あるいはポリマーおよびその他の成分の混合物を含んでいる。ある実施形態では、膜材料は、２つ以上の層を含むことができる。異なる層は、同じかまたは異なる性質、例えば化学組成、多孔率、透過率、および厚さなどを有することができる。ある実施形態では、濾過膜の支持体を提供し、または何らかのその他の望ましい性質を保有する層、例えば膜を用いることが、望ましいこともある。
【００８９】
イオン交換膜は、エチレンと、酸基またはその塩を含有するビニルモノマーとのコポリマーを含んでいる、過フッ素化イオノマーであることが好ましい。例示的な過フッ素化イオノマーには、限定するものではないがパーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレンコポリマー（「ＰＦＳＡ−ＴＦＥコポリマー」）およびパーフルオロカルボン酸／テトラフルオロエチレンコポリマー（「ＰＦＣＡ−ＴＦＥコポリマー」）が含まれる。これらの膜は、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）（Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ）、ＦＬＥＭＩＯＮ（登録商標）（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌｔｄ．）、およびＡＣＩＰＬＥＸ（登録商標）（Ａｓａｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ｃｏｍｐａｎｙ）という商標で市販されている。
【００９０】
【化１】
0005399233.tif 000002
【００９１】
ＰＦＳＡ−ＴＦＥコポリマーは、パーフルオロスルホン酸（パーフルオロ（４−メチル−３，６−ジオキサ−７−オクテン−１−スルホン酸））基が結合しているテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）「主鎖」を含有する。６個のＴＦＥ主鎖単位ごとに、１、２、３、４、５、または６個のパーフルオロスルホン酸基を存在させることができる。任意の適切な分子量のポリマーを用いることができる。好ましくは、約５００ＭＷ以下から約２０００ＭＷ以上、またはそれ以上の分子量が用いられる。分子量は、約６００、７００、８００、または９００ＭＷから、約１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、または１９００ＭＷまでにすることもできる。分子量はさらに、約９１０、９２０、９３０、９４０、９５０、９６０、９７０、９８０、または９９０ＭＷから、約１０００、１０１０、１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０、１０８０、または１０９０ＭＷまでにすることができる。単一のコポリマーを用いることができ、または２種以上の異なるコポリマー（例えば、化学組成、分子量、またはその他の性質が異なっている）の組合せを用いることができる。単一ピークの分子量を有するコポリマーが、一般に好ましく、しかし、ある実施形態では、二峰性または多峰性分子量分布を有するポリマーであって、異なる分子量を有する様々な量のポリマー鎖を備えたポリマーを用いることが、好ましいこともある。コポリマーは、任意の構成をとってもよく、例えば、ブロック、テーパ状、ランダム、線状、分枝状、および／または架橋した構成をとってもよい。いくつかの異なる過フッ素化イオノマーの化学構造および性質は、補遺に含まれる参考文献１および２に記載されている。
【００９２】
【化２】
0005399233.tif 000003
【００９３】
ＰＦＣＡ−ＴＦＥコポリマーは、パーフルオロカルボン酸（パーフルオロ（４−メチル−３，６−ジオキサ−７−オクテン−１−カルボン酸））基が結合しているテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）「主鎖」を含有する。ＰＦＳＡ−ＴＦＥコポリマーおよびＰＦＣＡ−ＴＦＥコポリマーは、アルカリ金属塩基（例えば、上述のような）などの適切な塩基で前処理することによって、塩の形に変換することができる。イオン交換膜のそのような前処理プロセスは、当技術分野で周知であり、例えば製造業者の助言に従って行うことができる。水蒸気供給材料の性質（例えば、不純物、不純物レベル）と、生成されるべき、結果的に得られる精製済み水蒸気とに応じて、最適な膜が得られるように前処理条件を調節することができる。例えば、塩基、使用される溶媒、温度、曝露時間、濯ぎ条件、イオン交換の程度（例えば、１０％以下から９０％以上）の選択を、調節することができる。親水性薬剤と架橋することによって、またはポリマーを親水性成分と同時流延することによって、得られる膜の親水性を調節することが望ましい場合もある。そのような実施形態では、ポリマーは既に架橋性基を含んでおり、または架橋性基を含むように官能化されている。表面の化学的性質を変更することなく、その他の形の前処理（例えば、ポリマーの表面形態を変性させるための、薬剤との反応（粗面化、多孔率の増加または低下など）を用いることもできる。
【００９４】
好ましくは、膜は、実質的にガス不透過性の過フッ素化イオノマー、例えばＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜であり、この場合、水蒸気の透過率は、ＣＯ２またはＣＯの透過率に比べて３桁分を超えて高くなっており、酸素または窒素の透過率よりも約６桁分高くなっている。
【００９５】
水素の拡散は、水蒸気を通過させながら、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜を通すことによって効果的に抑制することができる。実質的にガス不透過性の膜は、実質的に多孔質ではないことが好ましい。実質的にガス不透過性の膜は、ガス、および粒子、エアロゾル、ウイルス、細菌、プリオン、金属、イオン、その他の空気中の分子汚染などのその他の材料の拡散を抑制することができる。
【００９６】
超高純度水蒸気を調製する際、水蒸気供給材料を膜に通す。「水蒸気供給材料を膜に通す」という用語は、広義の用語であり、水分子が膜を通るように膜の第１の面を水蒸気供給材料に接触させること、および膜の反対側の面に精製された水蒸気を得ることを含むがこれらに限定することはなく、その通常の意味で使用される。第１および第２の面は、管状または円筒状の形を有することができ、この場合、１つの面が管の内側部分を形成し、反対側の面が内面上に存在する。加工条件、供給流の性質、生成される水蒸気の体積、およびその他の要因に応じて、膜の性質を調節することができる。膜は、厚さ約０．５ミクロン以下から厚さ２０００ミクロン以上であることが一般に好ましく、好ましくは約１、５、１０、２５、５０、１００、２００、３００、４００、または５００ミクロンから約６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、または１９００ミクロンである。より薄い膜が用いられる場合、機械的支持を膜に提供することが望ましいこともあり（例えば、支持膜、スクリーンもしくはメッシュ、またはその他の支持構造を用いることによって）、それに対してより厚い膜を、支持体なしで用いることができる。膜の表面積は、生成される精製水蒸気の質量に基づいて選択することができる。一般に、圧力１２６ＫＰａおよび温度１０６℃で１ｋｇ／分の水蒸気を供給するには、表面積が少なくとも８．８５ｍ２である好ましい実施形態の膜を用いることが望ましい。しかし、膜の化学的性質に応じて、より広くまたはより狭い表面積が望ましい場合もある。一般に、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０ｋｇ／分の水蒸気から、約２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、または１００ｋｇ／分まで、またはそれ以上を供給することが望ましく、しかし、ある実施形態では、より少なくまたはより多い量の水蒸気を供給することが望ましい場合もある。任意の適切な温度の水蒸気を供給することができ、好ましくは約１００℃以下から約１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１２０、１５０、２００、２５０、または３００℃以上である。適切な膜の表面積は、一般には約０．０１ｍ２以下から約０．１、１、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、または１０００ｍ２以上である。
【００９７】
繊維形態の膜は、決まった体積で、より広く曝露される膜の表面積を提供する能力をもたらす。好ましくは、膜は中空繊維を含んでおり、この繊維は、管寄せの各端部が好ましい実施形態のコネクタを使用して固定されている。繊維は、通常、その下端が封止され、その上端が開放されて精製済み水蒸気が除去されるようになされており、しかし、いくつかの配置構成では、繊維の両端を開放して、一方または両方の端部から精製済み水蒸気が除去されるようになされている。あるいは、水蒸気供給材料を膜繊維の内側に供給することができ、精製された水蒸気を、繊維の外側を取り囲んでいる空間から除去することができる。
【００９８】
コネクタ
ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）は、透析膜、クロルアルカリ電池、燃料電池、および水素生成器で使用されるような、陰イオンから陽イオンを分離する際に使用される優れた材料にするイオン特性を与えるために、加水分解プロセス中に変性されるスルホン酸基も含有するパーフルオロポリマーである。しかし、膜が加水分解した（前駆体から酸形態に変換された）後は、これをその他の材料と結合することは非常に難しい。材料を完全に乾燥させ、温度および圧力下で２枚のプレート間でホットプレスすることが必要である。米国特許第４９５４２０６号、第５７４６８５６号、および第４９９０２９６号は、それぞれが、フルオロポリマー溶接法を開示している。これらの技法のそれぞれは平面結合に対処しているが、管束の接合には対処していない。米国特許第５４５８９８９号および第６００７９３２号は、マルチルーメンアセンブリの使用について開示しており、しかしこれらは、管腔を接合するのに、個々の機械的接続を使用している。
【００９９】
加水分解状態または前駆状態にあるＮＡＦＩＯＮ（登録商標）を、それ自体におよびＦＥＰやＫＹＮＡＲ（登録商標）、ＰＦＡなどのその他のフルオロポリマーに結合しようという試みが行われているが、それらの全ては、水蒸気および高圧のサイクルにかけ、次いで元の乾燥した周囲条件のサイクルにかけた後に壊れている。
【０１００】
この封止に関する問題を克服するには、サーマルボンディング法は望ましくない。意図される使用が超高純度の環境、または高温および過飽和水蒸気条件などの高湿度下にある場合、ポッティング材料の使用も望ましくない。プロセス配管接続のためのスエージ技術は周知である。Ｓｗａｇｅｌｏｋ（Ｓｏｌｏｎ、オハイオ）やＰｌａｓｍａｔｅｃｈ（Ｅｌ  Ｍｏｎｔｅ、カリフォルニア）などの製造業者は、長年、単一の管−管気密封止を形成する継ぎ手を提供してきた。非常に軟質の管の場合、一般に、管内への挿入物として裏当てフェルールが使用される。管の１つまたは複数が非常に薄い壁の場合、上述の従来の方法以外に、多数の管腔を接合するための一般的な工業的解決策はない。
【０１０１】
飽和水蒸気条件下でのＮＡＦＩＯＮ（登録商標）管材のマルチルーメン接続では、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）が、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）管材と外部シェルとの間のシーラントとして使用された。ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）管腔は、支持用の内部挿入物を利用した。シーラントはＰＴＦＥであった。外部で生成された半径方向圧縮力を使用して、シェルをシーラントまで圧縮し、内部管腔のそれぞれの周りに半径方向圧縮力を生成した。ＰＴＦＥシーラントによって、圧縮中に生成された内部応力の素早い分布が可能になり、その結果、応力の上昇および弾性条件の変動が防止される。任意の固体材料に外力を加えると、材料は、クリープを引き起こし、または低温流動する。材料は、この材料で生ずる力を緩和し、均等化するように動く。ほとんどの材料において、この作用は無意味であるが、ポリテトラフルオロエチレン（ＴＥＦＬＯＮ（登録商標））の場合、この作用は著しく、ほとんど即座に生ずる。室温で、ＰＴＦＥは、圧力が加えられたときに形状を変化させる。ＰＴＦＥは一般に、望ましくないと見なされる（例えば、米国特許第６１５３０８３号参照）この低温流動の性質が原因で、追加の弾成分なしでは封止材に使用されない。
しかし好ましい実施形態では、この低温流動の性質は有益である。ほとんどの場合、円筒状ポリマーに連続の穴が設けられ、かつ外部半径応力が加えられると、静水圧はスルーホールにかけられないことになる。しかし、材料がＰＴＦＥで作製される場合、シリンダは素早く低温流動して、静水圧力はスルーホールの全表面上に生成される。
【０１０２】
パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）は、ＰＴＦＥと同じ耐腐食性を有する。各管の端部に挿入された短片のＰＦＡ管で管腔を、裏当てし、このアセンブリをディスクの穴に滑り込ませることによって、マルチルーメン封止アセンブリを構成することができる。半径方向の力が生じた場合、典型的にはスエージオペレーションを通して、全ての管腔が同時に封止されることになる。
【０１０３】
好ましい実施形態のシステムは、最初に、単一の管腔について試験を行った。直径０．１２５”の管腔アセンブリを、直径０．１４０”のスルーホールを有する直径０．３７５”のテフロンシリンダに挿入した。次いでアセンブリを、Ｐｌａｓｍａｔｅｃｈ  ３／８”直径の半径方向圧縮継ぎ手で圧縮した。継ぎ手は、連続的な水蒸気流で、２５０°Ｆで１５００トール（２９ｐｓｉａ）に繰り返し循環され、次いで元の周囲温度および圧力に冷却させた。以前の結合は全て、この条件下で壊れたが、このシステムは封止を維持した。
【０１０４】
次いでこの技法を、三重管腔アセンブリに適用した。水蒸気発生器に関して試験をするために、２つのアセンブリを組み立てた。直径１／２”のＴＥＦＬＯＮ（登録商標）棒を長さ０．７５”に切断し、直径０．１４０”の３つのスルーホールを、シリンダの軸に沿って半径方向に、０．４”のボルトサークル上に等間隔に開けた。これらを、水蒸気精製器アセンブリに導入した。精製器を、９００トールにかけ、さらに戻すサイクルに何度も繰り返しかけた。１週間にわたるサイクル試験の後、これらは、それぞれ６４６時間および４４４時間にわたり、障害が生ずるといういかなる兆候もなく、連続的に動作した。試験の開始時から、アセンブリには、膜にも封止材にも障害が生じなかった。試験は、連続的なものから１日ごとの試験に変えて、目立った効果のない状態で熱サイクルを増加させた。結果を図１に示す。
【０１０５】
７つの管腔アセンブリが、直径０．１４”の穴を中心間の間隔０．２”で有する六方稠密充填に基づいて作製された。封止材を、障害を引き起こすことなく８０ｐｓｉｇの窒素に対して試験をした。次いで封止材を、いかなる漏れまたは障害もない状態で、１２００トールまでのサイクルにかけた。圧力は、試験の設定により限定した。システムは、膜または封止材が壊れることなく、断続的に動作した。
【０１０６】
追加の試験を実行した。この試験では、直径２インチ、厚さ０．７５”のＰＴＦＥディスクをシーラントとして使用した。直径０．１４０”の２４個の穴が等間隔に設けられている外環をドリルで加工し、０．１４０”の１８個が等間隔に設けられている内環もドリルで加工して、合計４２個の穴を形成した。ＰＦＡフェルールを備えた直径０．１３５”の管腔を各穴に挿入した。内径１．８７”のステンレス鋼の環を、このアセンブリ上に配置した。窒素圧力７５ｐｓｉｇを、封止材の一端に加えた。バブル試験を使用したとき、反対側の面に漏れは見られなかった。
【０１０７】
追加の水蒸気圧試験を実行した。直径２”のＰＴＦＥディスクに、環状に均等に配置された２４個の０．１４０”の穴をドリル加工した。ＰＦＡフェルールを有する直径０．１３５の２４本の管腔を、ディスクに挿入した。内径２．０”および外径２．５”の追加のＰＴＦＥアダプタを、ディスク上に配置した。次いでステンレス鋼圧縮環を、アダプタ、ディスク、および管腔のアセンブリ全体に押圧した。次いでコネクタを、水蒸気圧および１２００トールの温度で作動させた。次いでユニットを除去し、１０ｐｓｉｇで試験をした。気泡は検出されなかった。
【０１０８】
好ましい実施形態のコネクタの特徴をより良く理解するために、いくつかの有限要素解析を実行した（実験＃１および＃２参照）。７つの管腔アセンブリについて、ステンレス鋼およびＰＦＡの両方の裏面フェルールを使用して試験をした。シーラントは、まずＰＦＡに関して解析し、次いでポリプロピレンに関して行った。
【０１０９】
この研究は、コネクタに用いられた硬質−軟質−硬質の基本的な封止原理、即ち第１の硬質部分が圧縮半径方向力を生成する部材であり、軟質部分がシーラント（篩板とも呼ばれる）であってこの篩板を通して管腔内にエネルギーを伝達するのに十分変形するシーラントであり、第２の硬質部分が各管腔内に配置された内部フェルールである、ものの基本的な封止原理は有効であることを検証した。
【０１１０】
篩板は、低圧縮性および低弾性率を有する任意の材料から製作することができる。プラスチックが特に好ましい。データを、ＰＴＦＥおよびポリプロピレンの両方に関してモデル化し、先の機械試験は、ナイロン、ＤＥＬＲＩＮ（登録商標）、ＫＹＮＡＲ（登録商標）、およびＰＴＦＥがそれぞれ、約１００ｐｓｉｇまでの圧力で有効であることを実証した。
【０１１１】
ステンレス鋼フェルールは、非常に硬い表面を提供し、それが全ての管腔に対して良好な封止力をもたらしている。より軟らかい材料、例えばＰＦＡが管腔内で使用される場合、封止力は、ＰＦＡが変形するにつれた大幅に低下し、管腔と篩板との間で得ることが可能な封止力が低下する。
【０１１２】
各管腔は、篩板内の空気ポケットと見なすことができる。空気ポケットが剛性スリーブによって保護される場合、このポケットは収縮せず、圧力が半径方向内側に向かって伝達される。空気ポケットが軟質スリーブのみ有する場合、外部半径方向力によってこのポケットが潰れ、半径方向の力は次の列の穴に向かって伝達されなくなる。これらは自動車のクランプルゾーンと同様に働き、エネルギーを吸収してこのゾーンを通過することができないようにする。
【０１１３】
フェルール材料は、高硬度と、材料の適合性および汚染物質とのバランスがとれた、最適な組合せを有することが好ましい。好ましい材料には、銅、ステンレス鋼および関連した合金、剛性プラスチック、石英、ガラス、セラミック、および炭素繊維と、上記の組合せが含まれる。
【０１１４】
第１の有限要素解析（実験＃１）の結果は、１個の穴が６個の穴によって取り囲まれている２環システムに焦点を当てた。この解析は、ＰＴＦＥシーラントの場合、剛性フェルールを使用すると、半径方向の圧縮が中心と外環との間でより均等に伝達されることを示していた。軟質フェルールを使用した場合、半径方向の圧縮は、外環から内環に向かって急激に減少し、これは、圧縮力が、加えられた半径方向の圧縮源からはるかに低下することを示唆している。ポリプロピレンシーラントの場合、剛性フェルールを使用すると、より高い圧縮が外側の穴で見られた。より堅いシーラントは、半径方向応力を均等化するのに十分低温流動しなかった。
【０１１５】
第２の有限要素解析（実験＃２）の結果は、それほど明瞭ではない。第３および第４の外環を付加して、１９および３７の全システムに関するモデルを生成した。ステンレス鋼フェルールの使用は先の結果に一致せず、したがってモデルは、追加の同心円状の穴を有する封止材について検証しなかった。ＰＦＡフェルールと共に使用した場合、４個の同心円状の環を同時に封止することができた。内環の除去により、より均等な封止力が生成されたが、これは、圧縮力が、加えられた半径方向の圧縮源からはるかに低下したことを示唆している。これらの結果は、内部応力を均等化するＰＴＦＥの高クリープ傾向を考慮していないと考えられる。
【０１１６】
半径方向の封止材は、各管腔および全ての管腔の周りに半径方向の圧縮を生成する。ポッティング封止材は、管腔とシェルとの間に障壁を形成する。これは、管腔とポッティング材料と外部シェルとの間の接着によって、圧力差に耐える。この封止材は、管腔、シーラント、およびシェルの間の接着によって生成された剪断応力を介して、外部圧力差に耐える。接着強度は一般に低く、封止材の材料表面特性の関数であり、半径方向の応力は、表面材料特性に限定されない外力と共に増大可能である。
【０１１７】
実験＃１および＃２を、以下および添付書類に示す。
【０１１８】
実験＃１
第１の実験の目的は、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）またはポリプロピレン継ぎ手の内側に対する封止圧力を決定することであった。継ぎ手は、太い管内の流体の流れを、水蒸気精製プロセスの一部として一連の７つの細い管に分割する。継ぎ手の性能に関する課題は、より細い内管界面での封止である。この封止は、管腔内を通る流れを実質的に制限することなく、内管を十分な半径方向圧力でかしめで良好な封止が維持されるように、継ぎ手の外径（ＯＤ）をスエージ加工することによって実現される。
【０１１９】
使用された有限要素解析は、継ぎ手を３０°のセクションで表した。対称境界条件を、有界ラジアル平面に適用して、３６０°全体をシミュレートした。固体要素を使用して、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）継ぎ手およびＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜を表し、一方、内部ステンレス鋼管またはＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ）管は、シェル要素でモデル化した（実験＃１に関する添付書類の図には示されていない）。解法は、多数のステップで行った。まず、継ぎ手を１５％スエージ加工した（半径方向に０．０５６２５”）。スエージ加工されたセクションを所定位置にしっかりと保持し、その一方で、モデル全体を７３°Ｆから２５３°Ｆに、次いで７３°Ｆに戻す温度サイクルにかけた。ＰＴＦＥおよびポリプロピレンのシミュレーションに関する温度依存性の材料特性も使用した。このモデルの結果を、表１に示す。
【０１２０】
【表１】
0005399233.tif 000004
【０１２１】
ベースラインの設計は、加えられた流体圧力よりも非常に高い封止圧力（管ＯＤでの半径方向応力）を示したが、これは、良好な封止性能を示している。優れた封止性能は、スエージング半径方向応力または変形を機械的に維持することを条件とする。スエージング半径方向応力または変形が緩和される場合、封止は失われる。この観察は、クリープに起因するスエージングプレストレスの損失が、ある実施形態で問題になり得ることを示唆している。ポリプロピレンは、水蒸気精製プロセスの適用例に十分適したものになる、機械的性質を有している。それほどクリープを起こし易くはないことを考えると、ポリプロピレンは、通常ならクリープが問題になり得るある適用例において、長期にわたる封止の適用に望ましい材料とすることができる。データは、ステンレス鋼が、そのより高い剛性によって継ぎ手の内管を裏打ちする好ましい選択肢であることも示している。
【０１２２】
実験＃２
第２の実験の目的は、様々な構成の種々の数の管腔に関し、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）（ＰＴＦＥ）またはポリプロピレン継ぎ手の内側に対する封止圧力を決定することであった。継ぎ手および管の材料は、実験＃１に関して既に述べた通りであった。
【０１２３】
使用された有限要素法は、継ぎ手を３０°のセクションで表した。対称境界条件を、有界ラジアル平面に適用して、３６０°全体をシミュレートした。固体要素をモデル全体に使用したが、それによってＴＥＦＬＯＮ（登録商標）は、ステンレス鋼挿入物に対して垂直に「流動」可能になった。解法は、多数のステップで行った。まず、継ぎ手を１５％スエージ加工した（半径方向に０．０５６２５”）。スエージ加工されたセクションを、所定位置にしっかり保持し、その一方でモデル全体を、７３°Ｆから２５３°Ｆ、さらに７３°Ｆ（２０℃〜１２０℃〜２０℃）に戻る温度サイクルにかけた。スエージ量は、全ての場合において０．０５６２５”であった。最小限の封止応力に関する結果を、表２に示す。
【０１２４】
【表２】
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【０１２５】
表２には、応力が、膜とＰＴＦＥとの界面でのｐｓｉの単位で列挙されている。正の応力は張力であり、封止の損失を表す。データは、ある配置構成にある複数の穴が不均一な剛性をもたらす可能性があり、したがって応力分布をもたらす可能性があることを示唆している。これは、ケース３で最も強烈であり、この場合、４個の穴が一方のラジアル対称平面上に並べられており、それと共に２個の穴だけが、他方のラジアル対称平面上に並べられている。穴の箇所にあるステンレス鋼ライナーによって、一方のラジアル平面が他方よりも非常に剛性になり、したがって、より高い半径方向応力を引き付ける。剛性の均一性が不十分であると、引張り応力が膜界面で生じうる複雑な偏向場につながる。ＰＦＡライナーを使用すると、局在化した剛性のばらつきが低減し、したがって、膜界面で引張り応力を生成する傾向が少なくなる。データは、継ぎ手ＯＤ付近の帯域に均一に穴を分布させることは、ある実施形態（即ち、ケース５）において好ましい場合があることを示唆している。
【０１２６】
公開および非公開の出願、特許、および参考文献を含むがこれらに限定するものではない、本明細書に引用される全ての参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、それによって本明細書の一部を構成する。参照により組み込まれた刊行物および特許または特許出願が、本明細書に含有される開示と矛盾する範囲まで、本明細書は、任意のそのような矛盾した材料に取って替わり、かつ／またはそのような材料よりも優先するものとする。
【０１２７】
本明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、または「特徴とする（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ  ｂｙ）」と同義であり、包括的または制約のないものであり、追加の列挙されていない要素または方法ステップを排除しない。
【０１２８】
明細書で使用される、成分の量および反応条件などを表す全ての数は、「約」という用語によって、全ての場合に修飾されると理解すべきである。したがって、他に特に指示しない限り、本明細書に記載される数値パラメータは、得ることが求められる所望の性質に応じて様々に変えてよい近似値である。最低限でも、また本出願の優先権を主張する任意の出願において、任意の特許請求の範囲の均等物の原理の適用を限定しようとするものではないが、各数値パラメータは、有効数字の桁数および通常の丸め手法に照らして解釈すべきである。
【０１２９】
上記説明は、本発明のいくつかの方法および材料を開示する。本発明は、方法および材料の修正を受け易く、並びに製作方法および装置の変更を受け易い。そのような修正は、この開示を考慮することにより、または本明細書に開示される本発明を実施することにより、当業者に明らかにされよう。その結果、本発明は、本明細書に開示される特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の真の範囲および精神に包含される全ての修正例および変更例を含む。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】２個のコネクタに関する、熱サイクリング試験結果を示すグラフを提供する図である。
【図２】２４本の管腔（７）、管腔を封入する本体（６）、圧縮環（５）、出口継ぎ手（４）、入口継ぎ手（３）、２４本の管腔を受容するように構成された入口用コレクタプレート（２）、および２４本の管腔を受容するように構成された出口用コレクタプレート（１）を含む、好ましい実施形態の封止材を示す図である。
【図１】
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【図２】
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